pemantauan struktur atas jembatan 䵏n䥔佒䥎䜠单 …

PEMANTAUAN STRUKTUR ATAS JEMBATAN

MONITORING SUPERSTRUCTURES OF THE BRIDGE

Faiz Naufal Wardhana1, Sony Sumaryo2,Agung Surya Wibowo3

1,2,3 Prodi S1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom

[email protected] [email protected] [email protected]

Abstrak

Jembatan merupakan salah satu infrastruktur vital pada sistem transportasi yang diharapkan memiliki usia

layan yang panjang. Kondisi struktur jembatan perlu dilakukan pemantauan untuk menentukan jadwal

pemeliharaannya. Defleksi camber melebihi batas rencana sangat membahayakan pengguna jembatan, selain itu

frekuensi alami juga dapat mempengaruhi kemampuan layan struktur.

Sistem pemantauan dikembangkan untuk dapat mengetahui kondisi struktur jembatan secara real time agar

dapat mengantisipasi kegagalan struktur. Pada Tugas Akhir ini parameter yang dipantau adalah lendutan dan

frekuensi alami struktur.

Hasil dari tugas akhir ini adalah sistem yang memiliki akurasi kemampuan sensor sebesar 95,889% dan didapat

pergeseran maksimum sebesar 0,1 cm dengan defleksi 2,012 cm. Sementara frekuensi alami pada ketiga sumbu

yang terjadi pada saat prototype diberi beban berjalan 150 Kg sebesar X=2,330; 1,523 Hz. Y=3,445; 0,469 Hz.

Z=6,921; 1,406 Hz, sementara saat diberi beban berjalan 230 Kg sebesar X=63,054; 0,352 Hz. Y=37,112; 0,352

Hz. Z=10,343; 1,289 Hz.

.

Kata Kunci: Jembatan, lendutan, frekuensi alami, Fast Fourier Transform (FFT)

Abstract

Bridges are one of the vital infrastructure in the transportation system which is expected to have a long service

life. The condition of the bridge structure needs to be monitored to determine its maintenance schedule. Camber

deflection over the plan limit is very dangerous for bridge users, besides that natural frequency can also affect

the ability of service structures.

The monitoring system was developed to be able to determine the condition of the bridge structure in real time

in order to anticipate structural failure. In this Final Project, the monitored parameters are deflection and natural

frequency of the structure.

The result of this final project is a system that has the accuracy of sensor capability of 95.889% and obtained

a maximum shift of 0.1 cm with a deflection of 2.012 cm While the natural frequency in the three axes that occurred

when the prototype was given a moving load of 150 Kg at X = 2.330; 1,523 Hz. Y = 3,445; 0.469 Hz. Z = 6.921;

1,406 Hz, while when given a moving load 230 Kg of X = 63,054; 0.352 Hz. Y = 37,112; 0.352 Hz. Z = 10.343;

1,289 Hz.

Key Words: Bridge, deflection, natural frequency, Fast Fourier Transform (FFT)

1. Pendahuluan

Jembatan merupakan infrastruktur vital yang diharapkan memiliki usia layan yang panjang. Kondisi struktur

sangat mempengaruhi kemampuan layan jembatan. Pemantauan terhadap kondisi struktur sangat diperlukan untuk

menjaga kekokohan struktur jembatan. Beberapa parameter yang perlu dipantau kondisinya ada besaran defleksi

camber dan vibrasi yang terjadi pada struktur. Contoh kegagalan struktur adalah runtuhnya jembatan Cipunagara

di Subang pada tahun 2004 yang diakibatkan karena jembatan kelebihan beban atau overloadig[4]

Pada Tugas Akhir ini akan dibuat alat yang mampu mendeteksi defleksi camber dan vibrasi yang dibaca setiap

satuan detik. Pergeseran bearing pada jembatan akan merepresentasikan defleksi yang terjadi. Sementara itu untuk

mendeteksi frekuensi alami, dilakukan transformasi dari besaran percepatan domain waktu ke domain frekuensi

menggunakan algoritma Fast Fourier Transform (FFT). Semua pengukuran ini akan dilakukan pada purwarupa

jembatan.

ISSN : 2355-9365 e-Proceeding of Engineering : Vol.5, No.3 Desember 2018 | Page 3973

2. Dasar Teori

2.1 Jembatan Warren Truss[5]

Jembatan warren truss terdiri dari dua rangka utama berbentuk segitiga sama kaki atau sama sisi yang diikat

bersama dengan balok-balok melintang dan pengaku lateral. Sebagian rangka diagonal jembatan jenis ini

mengalami gaya tekan (compression) dan sebagian lainnya mengalami gaya tarik (tension).

Gambar II- 1 Jembatan warren truss[2]

Kelebihan dari jembatan jenis ini adalah kemampuan untuk menyebar beban yang dialami jembatan secara

merata pada setiap struktur jembatan pada saat struktur jembatan mengalami beban membentang (beban

terdistribusi). Struktur truss akan mengalami gaya yang terkonsentrasi di bawah titik beban. Namun pada skenario

beban terkonsentrasi, strukturnya tidak sebaik pada mendistribusikan beban secara merata ke seluruh bagian

struktur. Oleh karena itu, jenis warren truss lebih baik digunakan untuk beban membentang, namun tidak sesuai

untuk digunakan dimana beban terkonsentrasi pada satu titik atau satu node.

2.2 Camber (Lawan Lendut)[6]

Dalam jembatan camber merupakan struktur lengkung yang digunakan untuk melawan efek dari gaya beban.

Beban yang dimaksud adalah beban mati yaitu beban yang diakibatkan oleh lantai kendaraan dan beban hidup

rencana yaitu beban kendaraan atau sesuatu yang melintas di atas lantai kendaraan[7]. Camber jembatan dirancang

dengan kondisi camber Y-positif sehingga saat jembatan mengalami tekanan oleh beban hidup, kondisi

permukaan rangka jembatan tetap datar. Oleh karena itu, terdapat batas izin defleksi level camber yang

diperbolehkan berdasarkan surat edaran Direktorat Jendral Bina Marga bulan Januari tahun 2009 mengenai teknis

desain struktur rangka baja.

Tabel II- 1 Petunjuk Teknis Desain Struktur Rangka Baja di Lingkungan Direktorat Jendral Bina Marga[2]

2.3 Bearing Jembatan[3]

Bearing merupakan tumpuan pada konstruksi jembatan yang berfungsi meredam dan mengakomodasi

pergerakan konstruksi pada bagian atas jembatan yang diakibatkan oleh gaya-gaya yang bekerja pada jembatan

seperti beban mati (dead load), beban hidup (live load), beban angin, gaya rem, dll. Dengan

diimplementasikannya sistem bearing ini, maka konstruksi struktur atas jembatan memungkinkan untuk dapat

bergerak sekaligus meredam gaya-gaya yang membahayakan struktur sehingga pengguna jembatan aman

menggunakan jembatan.

(a) (b)

Gambar II- 2 a.) Tumpuan sendi[3] b.) Tumpuan roll[3]


2.4 Sensor Infrared[7]

Sistem sensor infrared pada dasarnya menggunakan sinar infrared sebagai media untuk mengestimasi jarak

sensor terhadap objek. Sinar infrared tidak terganggu oleh cahaya tampak dari lingkungan karena memiliki daerah

spektrum yang berbeda. Untuk mengestimasi jarak objek, sensor ini menggunakan metode triangulation dan

sebuah linear CCD array sebagai position-sensitive detector. Sinyal infrared yang telah dimodulasi dipancarkan

oleh emitter dan akan dipantulkan oleh objek yang diamati. Apabila tidak ada objek, maka infrared tidak akan

dipantulkan kembali dan sensor tidak mendeteksi keberadaan objek. Apabil terdapat objek, pantulan infrared akan

diterima oleh lensa pada detektor yang difokuskan ke linear CCD array. Detektor akan mendeteksi sudut datang

dari pantulan infrared kemudian akan diproyeksikan oleh lensa pada CCD array sesuai sudut datang dari infrared

yang diintepretasikan sebagai parameter jarak. Keuntungan atau manfaat dari sistem ini dalam penerapannya

antara lain sebagai pengendali jarak jauh, alarm keamanan, atau otomatisasi sistem.

Gambar II- 3 Ilustrasi cara kerja sensor infrared[7]

2.5 Akselerometer[1]

Akselerometer digunakan untuk mengukur percepatan statis dan dinamik, yaitu pengukuran gaya konstan

terhadap gravitasi bumi dan pengukuran terhadap objek bergerak. Prinsip kerja transduser ini bekerja berdasarkan

hukum fisika bahwa apabila suatu konduktor digerakkan melalui suatu medan magnet, atau apabila suatu medan

magnet digerakkan melalui sebuah konduktor, maka akan timbul tegangan induksi pada konduktor.

Gambar II- 4 Cara kerja sensor akselerometer

Sensor akselerometer menggunakan MEMS (Micro Electro Mechanical System) yang mengandung komponen

mekanik dan elektronik yang dibangun dalam skala mikrometer yang terintegrasi pada IC (Integrated Circuit).

Didalam IC MEMS ini terdapat kontak pegas (warna merah pada gambar II- 7) yang terhubung dengan massa

beban yang juga terhubung dengan bagian konduktif yang dapat bergerak (warna kuning pada gambar II- 7).

Pada bagian luarnya terdapat lempeng konduktif yang tetap (warna abu-abu pada gambar II- 7). Pada saat terjadi

perubahan posisi, sistem bergerak karena terjadi akselerasi. Lempeng konduktif bagian dalam bergerak karena

adanya perpindahan. Ketika sistem bergerak nilai kapasitor berubah, dengan mengukur perubahan kapasitansi

didapatkan akselerasi yang bekerja pada sistem. Untuk mengukur 3 sumbu percepatan, maka dibutuhkan 3 MEMS

sehingga mampu membaca percepatan dalam arah yang berbeda. Pada kondisi diletakkan pada suatu bidang datar,

akselerometer akan mendeteksi percepatan +1g (nilai gravitasi bumi) pada sumbu vertikalnya, untuk percepatan

pada sumbu horizontalnya, maka akselerometer akan langsung mengukur percepatan secara langsung ketika

bergerak pada sumbu horizontal.

3. Perancangan Sistem

3.1 Desain Perangkat Keras

Desain sistem secara keseluruhan akan dijelaskan pada gambar dibawah ini:

Gambar III- 1 Peletakan sensor

ISSN : 2355-9365 e-Proceeding of Engineering : Vol.5, No.3 Desember 2018 | 975

Sistem sensor terdiri dari sensor infrared yang dipasang pada bagian yang dapat bergerak pada jembatan.

Posisi sensor diletakan pada pangkal jembatan menghadap ke fondasi jembatan. Jarak antara sensor ke fondasi

diatur sejauh 4 cm. Peletakan didasari data perancangan jembatan yang sesuai SNI bahwa batas maksimum

defleksi camber pada setengah bentang sebesar 4 mm. Nilai pergeseran pada pangkal jembatan akan dikonversi

menjadi nilai defleksi pada setengah bentang dengan ketentuan statika baja.

Sementara untuk pemantauan vibrasi jembatan dilakukan menggunakan sensor akselerometer. Pada kasus ini

objek yang diamati ada beban berjalan yang melintasi purwarupa jembatan yang disesuaikan dengan kebutuhan

pengujian. Data yang terbaca oleh sensor akselerometer akan diolah mikrokontroler menggunakan algoritma Fast

Fourier Transform (FFT) agar didapat nilai frekuensi yang mempunyai amplitudo terbesar.

3.2 Diagram Blok Sistem

Penjelasan mengenai diagram blok utama yang akan dijalankan pada proses pemantauan struktur atas

jembatan adalah sebagai berikut:

Gambar III- 2 Diagram Blok Sistem

Pada gambar 3.2 sensor mendeteksi parameter-parameter yang diukur kemudian nilai bacaan sensor akan

diproses pada mikrikontroler sehingga mendapatkan nilai yang diinginkan. Nilai hasil proses dari mikrokontroler

akan dibandingkan dengan data perencanaan untuk mengetahui kondisi struktur.

3.3 Diagram Alir Perangkat Lunak

Penjelasan mengenai urutan perintah yang akan dieksekusi pada sistem pendulum secara keseluruhan pada

proses swing-up akan dijelaskan pada gambar dibawah ini:

Gambar III- 3 Diagram Alir Sistem

Gambar III-6 Merupakan flowchart yang menunjukkan kerja sistem perangkat dalam mendeteksi kegagalan

struktur jembatan. Sistem yang dibuat adalah pembacaan defleksi camber yang mengindikasikan kegagalan

struktur jembatan. Prinsip kerjanya adalah sensor infrared akan membaca pergeseran posisi bearing yang dapat


bergeser menyesuaikan besar gaya yang dialami jembatan. Nilai pergeseran tersebut akan dikonversi oleh Arduino

UNO kedalam besaran defleksi camber dalam satuan milimeter.

Selain membaca defleksi camber, sistem pemantauan struktur ini juga membaca besarnya vibrasi yang terjadi

terhadap jembatan. Nilai percepatan yang didapat dari pembacaan sensor akselerometer akan diolah menggunakan

algoritma Fast Fourier Transform (FFT) untuk mengonversi nilai pada domain waktu ke domain frekuensi.

Setelah proses konversi selesai, akan didapatkan frekuensi yang memiliki amplitudo terbesar yang terjadi terhadap

purwarupa jembatan.

4. Hasil Pengujian

4.1. Pengujian Akurasi Sensor GP2D120X

Pengujian dilakukan dengan meletakkan sensor infrared GP2D120X pada struktur jembatan yang dapat

bergerak menghadap ke bagian jembatan yang solid dan berkedudukan tetap. Pengukuran dilakukan dengan

menggeser posisi sensor secara horizontal sejajar dengan posisi penggaris. Pengujian dilakukan dari posisi 4 cm

sampai 5 cm dengan digeser persatuan milimeter. Nilai yang didapat dari sensor akan dibandingkan dengan nilai

referensi berupa penggaris.

Tabel 4.1 Pengujian akurasi sensor GP2D120X

Berdasarkan tabel IV-1 dari sebelas titik yang diuji sebanyak 30 kali didapatkan persentase error sebesar

1,615% dengan persentase error maksimal sebesar 4,101%. Sehingga didapat tingkat akurasi sebesar 95,899%.

Adapun tingkat kepresisian sensor cukup baik karena semakin kecil nilai standar deviasi dan varian maka makin

baik tingkat kepresisianya.

4.2 Pengujian Akurasi Pembacaan Pergeseran Tumpuan

Pengujian dilakukan dengan meletakkan sensor pada pangkal prototype jembatan yang terdapat sendi roll

didasarnya. Sensor diletakkan menghadap ke arah fondasi yang diasumsikan sebagai papan. Jarak antara sensor

dengan papan diatur sejauh 4 cm. Setelah itu prototype jembatan akan diberikan variasi beban terpusat pada

setengah bentang prototype. Kemudian akan diamati perubahan jarak antara sensor dengan papan sehingga dapat

diketahui jarak antara gelagar prototype ke fondasi. Nilai pergeseran diamati untuk melihat pengaruh pergeseran

terhadap defleksi.

Tabel 4.2 Hasil uji sensor terhadap pergeseran sendi


Berdasarkan tabel diatas diketahui saat prototype diberi variasi beban bertingkat hingga beban maksimum.

Terjadi pergeseran sendi maksimum sejauh 0,1 cm dan defleksi maksimum sebesar 2,012 cm. Dapat diketahui

saat defleksi maksimum, pergeseran yang dialami sendi juga pada titik maksimum. Setelah itu struktur akan

kembali ke posisi awal karena sudah melewati batas plastisnya. Arah pergeseran posisi sendi ini sejajar panjang

jembatan untuk mengakomodasi perubahan struktur akibat beban yang terjadi.

4.3 Pengujian Pengolahan Sensor ADXL345

Pengujian dilakukan dengan meletakkan sensor ADXL345 pada bagian bawah rangka pada setengah bentang

panjang purwarupa jembatan. Kemudian purwarupa jembatan diberi variasi beban berjalan seberat 150 kg dan

230 kg. Hasil percepatan setiap axis yang dibaca oleh sensor ADXL345 akan diolah menggunakan algoritma FFT

sehingga didapat nilai pada domain frekuensinya dan dapat diketahui frekuensi dengan simpangan amplitudo

terbesar pada setiaps axisnya. Nilai frekuensi ini mengintepretasikan nilai frekuensi natural yang terjadi.

(a) (b)

Gambar 4.1 (a) Pengujian percepatan sb.X (b) Pengujian FFT sb. X

(a) (b)

Gambar 4.2 (a) Pengujian percepatan sb.Y (b) Pengujian FFT sb. X


(a) (b)

Gambar 4.3 (a) Pengujian percepatan sb. Z (b) Pengujian FFT sb. Z

(a) (b)

Gambar 4.4 (a) Pengujian percepatan sb. X (b) Pengujian FFT sb. X

(a) (b)

Gambar 4.5 (a) Pengujian percepatan sb. Y (b) Pengujian FFT sb. Y

(a) (b)

Gambar 4.6 (a) Pengujian percepatan sb. Z (b) Pengujian FFT sb. Z


Tabel IV- 2 Perbandingan nlai tiap axis dengan variasi beban

Berdasarkan tabel IV-2 diketahui percepatan maksimal, frekuensi dasar dan amplitudo tertinggi pada setiap

axisnya. Semua nilai tiap axis berbeda-beda tergantung pada beban yang melintas. Semakin berat beban yang

melintas maka percepatan dan amplitudo frekuensi yang terjadi pada purwarupa semakin besar, sementara

frekuensi alami yang terjadi semakin kecil, hal ini berarti periode getar yang terjadi semakin pendek.

5. Kesimpulan

1. Didapat akurasi dari pembacaan sensor infrared GP2D120X untuk pergeseran horizontal sebesar

95,899%.

2. Didapat pergeseran maksimum sendi yang terjadi sebesar 0,1 cm pada saat beban 395 Kg dengan defleksi

sebesar 2,012 cm.

3. Hasil pembacaan defleksi struktur kurang akurat karena keterbatasan kemampuan sensor yang tingkat

resolusinya satu milimeter.

4. Pada pemantauan getaran beban 150 Kg, nilai masing-masing amplitudo terbesar dengan frekuensi

dasarnya adalah X=2,330; 1,523 Hz. Y=3,445; 0,469 Hz. Z=6,921; 1,406 Hz.

5. Pada pemantauan getaran beban 230 Kg, nilai masing-masing amplitudo terbesar dengan frekuensi

dasarnya adalah X=63,054; 0,352 Hz. Y=37,112; 0,352 Hz. Z=10,343; 1,289 Hz.

6. Semakin besar beban yang melintasi prototype, semakin besar pula amplitudo dan percepatan yang terjadi

pada prototype.

7. Semakin besar beban yang melintasi prototype, semakin kecil frekuensi natural dan semakin lama pula

perioda getaran pada prototype.

Daftar Pustaka

[1] Adistya, Irman Supriadi. “Pemgenbangan Sistem Monitoring Vibrasi Pada Kipas Angin Menggunakan

Accelerometer ADXL345 Dengan Metode FFT Berbasis Labview”

[2] Badan Standarisasi Nasional. “Rancangan Standar Nasional Indonesia, Perencanaan Struktur Baja Untuk

Jembatan,” 2005.

[3] “Bridge Bearings – Types of Bearings for Bridge Structures and Details” [Online]. Available:

https://theconstructor.org/structures/bridge-bearings-types-details/18062/

[4] Kulicki, J.M. "Highway Truss Bridges." Bridge Engineering Handbook. Ed. Wai-Fah Chen and Lian Duan

Boca Raton: CRC Press, 2000

[5] Kumalasari, Annisa Dian. “Perancangan Sensor Pergeseran Menggunakan Serat Optik Untuk Struktur Rangka

Jembatan,” STT Telkom, 2011.

[6] “Sensor Inframerah” [Online]. Available: https://rayendente.wordpress.com/2015/03/26/sensor-inframerah

[7] “Jembatan Cipunagara Ambruk Diduga Karena Kelebihan Beban” [Online]. Available:

http://news.liputan6.com/read/82605/jembatan-cipunagara-ambruk-diduga-karena-kelebihan-beban


pemantauan struktur atas jembatan 䵏n䥔佒䥎䜠单 …

Documents